Fahrzeugklimaanlage, insbesonderee CO2-Klimaanlage

Abstract

 Verdichter (6), Kältemittelkühler (7), innerer Wärmetauscher (8) zwischen Heizwärmetauscher- und Verdampferseite, Expansionsventil (9), und Verdampfer (5). Zur Umschaltung der Klimaanlage vom Kühlbetrieb in Heizbetrieb ist zwischen Verdichter (6) und Kältemittelkühler (7) ein mit einem motorseitigen Kühlkreislauf (17) korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher (10) integriert, wobei dem zusätzlichen Wärmetauscher (10) ein Expansionsventil (14) nachgeordnet ist, mittels dem bei Heizbetrieb das Kältemittel auf einen niedrigeren Druck drosselbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO₂-Klimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfasst:

Verdichter,

Kältemittelkühler,

innerer Wärmetauscher zwischen Heizwärmetauscher- und Verdampferseite,

Expansionsventil, und

Verdampfer.

[0002] Derartige Fahrzeugklimaanlagen sind allgemein bekannt. Sie dienen primär zur Kühlung des Fahrgastraumes im Sommer. Für den Winterbetrieb sind diese Klimaanlagen nicht geeignet. Dabei zeigt sich, daß moderne Fahrzeuge mit verbrauchsarmen Motoren im Winter eine unbefriedigende Heizleistung aufweisen. Zur Abhilfe werden insbesondere bei diesen Fahrzeugen Zusatzheizungen serienmäßig eingebaut. Grundsätzlich lassen sich auch Klimaanlagen als Zusatzheizung einsetzen, d.h. in sog. Wärmepumpenschaltung betreiben. Dies bedeutet natürlich eine Funktionsumkehr herkömmlicher Klimaanlagen, bei denen als Kältemittel R 134a verwendet wird. Der Betrieb herkömmlicher Klimaanlagen in Wärmepumpenschaltung hat einen relativ hohen Schaltungs- und Steuerungsaufwand zur Folge. Des weiteren ist die Heizleistung, insbesondere bei sehr niedrigen Außentemperaturen, unbefriedigend, da der Verdampfungsdruck temperaturbedingt bis in den Unterdruckbereich absinkt. Damit werden die Saugdichte und umgesetzte Leistung entsprechend gering.

[0003] Bei Einsatz von CO₂ als Kältemittel lassen sich günstigere Voraussetzungen schaffen. Untersuchungen haben gezeigt, daß im Wärmepumpenbetrieb mit CO₂ sich hohe Heizleistungen erzielen lassen. Des weiteren ist der Schaltungsaufwand erheblich einfacher als bei R 134a-Klimaanlagen.

[0004] Der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist der herkömmliche Heizkreislauf eines Fahrzeugs einerseits und Kältemittelkreislauf einer CO₂-Klimaanlage andererseits entsprechend Figur 7. Figur 7 zeigt eine mögliche Anordnung für den Heizkreislauf eines Kraftfahrzeuges und das Anlagen-Schema bzw. den Kältemittelkreislauf einer CO₂-Klimaanlage, die allein für einen Kühlbetrieb ausgelegt ist. Der Heizkreislauf umfasst einen Motor 1, einen Heizwärmetauscher 2, eine Umwälzpumpe 3, bei der es sich üblicherweise um die Hauptwasserpumpe des Motors 1 handelt, und ein Zwei-Wege-Ventil 4. Für den Kühlkreislauf sind wesentlichen Komponenten mit einem Verdampfer 5, einem Verdichter 6, einem Kältemittelkühler 7, einem inneren Wärmetauscher 8 und einem Expansionsventil 9 dargestellt. Der Heizwärmetauscher 2 ist durch eine By-pass-Leitung überbrückbar, wobei zwischen dieser By-pass-Leitung und dem Heizwärmetauscher 2, insbesondere Heizwärmetauscherauslaß das Zwei-Wege-Ventil 4 angeordnet ist. Durch entsprechende Umschaltung dieses Ventils lässt sich das Kühlwasser entweder durch den Heizwärmetauscher 2 oder an diesem vorbei leiten.

[0005] Ein Heizbetrieb ist mit der bekannten Klimaanlage gemäß Figur 7 nicht möglich.

[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik sowie dem eingangs noch erläuterten Stand der Technik in Verbindung mit R 134a-Klimaanlagen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO₂-Klimaanlage zu schaffen, die ohne großen Aufwand von einem Kühlbetrieb in einen Heizbetrieb und umgekehrt schaltbar ist.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, wobei bevorzugte konstruktive Details in den Unteransprüchen beschrieben sind.

[0008] Um den Stand der Technik nach Figur 7 auch für den Heizbetrieb möglich zu machen, ist es erfindungsgemäß lediglich erforderlich, zwischen Verdichter und Kältemittelkühler einen mit einem motorseitigen Kühlkreislauf korrespondierenden zusätzlichen Wärmetauscher vorzusehen, wobei dem zusätzlichen Wärmetauscher ein Expansionsventil nachgeordnet ist, mittels dem bei Heizbetrieb das Kältemittel auf einen niedrigeren Druck drosselbar ist, und zwar vorzugsweise ausgehend von einem Kältemittel-Verdichterdruck von ca. 70-120 Bar außentemperaturabhängig auf z.B. etwa 20 Bar. Während des herkömmlichen Kühlbetriebs werden Vorkehrungen getroffen, um das erfindungsgemäße Expansionsventil zu überbrücken. Diesbezüglich wird auf die Maßnahmen nach Anspruch 3 und alternativ Anspruch 4 verwiesen. Nachstehend werden zwei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Klimaanlage anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

eine erste Ausführungsform (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage;

Figur 2

eine zweite Ausführungsform (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage; und

Figuren 3 bis 6

weitere Abwandlungen (Schaltschemen) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage.

[0009] Die Klimaanlage gemäß Figur 1 ist gegenüber dem Stand der Technik nach Figur 3 dahingehend modifiziert, daß ein Heizbetrieb mit der dann als Wärmepumpe arbeitenden Klimaanlage möglich ist. Zu diesem Zweck ist ein zusätzlicher Wärmetauscher 10 vorgesehen, der zum Enthitzen des gasförmigen Kältemittels und zum Übertragen der Wärme an einen Kühlwasserkreislauf eingebunden ist. Der Kühlwasserkreislauf ist mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Im zusätzlichen Wärmetauscher 10 erfolgt also ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelkreislauf einerseits und motorseitigem Kühlwasserkreislauf andererseits. Das auf hohe Temperatur erhitzte Kältemittel, nämlich CO₂, stammt von dem Wärmetauscher 10 vorgeschalteten Verdichter 6. Dem zusätzlichen Wärmetauscher 10 ist ein Expansionsventil 14 nachgeordnet, mittels dem bei Heizbetrieb das Kältemittel auf einen niedrigeren Druck drosselbar ist. Konkret befindet sich das Expansionsventil 14 in einer By-pass-Leitung, die von der Kältemittel-Leitung 13 zwischen zusätzlichem Wärmetauscher 10 und Kältemittelkühler 7 abzweigt. Diese By-pass-Leitung ist mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet. Sie ist parallel zur erwähnten Kühlmittel-Leitung unter Überbrückung eines in dieser angeordneten Absperrventils 11 geschaltet. Das Absperrventil 11 dient zur Absperrung des freien Kältemittel-Durchgangs zwischen dem zusätzlichen Wärmetauscher 10 und Kältemittelkühler 7. In der Sperrstellung des Ventils 11 ist das Expansionsventil 14 wirksam, durch das der Druck des Kältemittels soweit abgedrosselt wird, daß der im Klimafall als Kältemittelkühler dienende Wärmetauscher 7 im Wärmepumpenbetrieb als Verdampfer Umgebungswärme aufnimmt.

[0010] Darüber hinaus sei erwähnt, daß im Kältemittelkreislauf zwischen dem inneren Wärmetauscher 8 und dem diesem nachgeordneten Verdampfer 5 ein weiteres Expansionsventil 9 angeordnet ist, das bei Bedarf, nämlich Heizbetrieb durch eine By-pass-Leitung 18 mit Absperrventil 12 überbrückbar ist. Im Heizbetrieb wird das üblicherweise wirksame Expansionsventil 9 durch die By-pass-Leitung 18 mit geöffnetem Absperrventil 12 überbrückt.

[0011] Die Betriebsweise im Heizbetrieb ist wie folgt:

[0012] Der Verdichter 6 verdichtet das Kältemittel, nämlich CO₂, auf einen hohen Enddruck von etwa 80-120 Bar. Die Verdichtungsendtemperaturen werden absichtlich hoch gehalten, so daß in dem zusätzlichen Wärmetauscher 10 ausreichend Wärme an den motorseitigen Heizwasserkreislauf 17 übertragen werden kann, die dann über den Heizwärmetauscher 2 der Fahrgastzelle zugeführt wird. Das Kältemittel, d.h. CO₂, wird durch das dem zusätzlichen Wärmetauscher 10 nachgeordnete Expansionsventil 14 auf eine niedrigeren Druck von z.B. etwa 20 Bar in das Nassdampfgebiet gedrosselt und verdampft im Kältemittelkühler 7 bei niedrigeren Temperaturen. Dabei nimmt das Kältemittel Umweltwärme auf. Der innere Wärmetauscher 8 und der Verdampfer 5 werden ohne nennenswerten Wärmeaustausch durchströmt. Das Ventil 12 wird praktisch ohne Druckverlust und damit ohne Druckänderung durchströmt.

Betriebsweise im Kühlbetrieb:

[0013] Im Verdampfer 5 verdampft das Kältemittel und nimmt so Wärme aus der Umgebungsluft auf, die der Fahrgastzelle zugeführt wird. Im inneren Wärmetauscher 8 wird das Sauggas überhitzt und dem Verdichter 6 zugeführt. Das Kältemittel wird auf einen Druck von z.B. 70-120 Bar verdichtet und erreicht eine Verdichtungsendtemperatur von bis zu und über 150 °C. Das Kältemittel wird anschließend im zusätzlichen Wärmetauscher 10 enthitzt und strömt durch das geöffnete Absperrventil 11 hindurch in den nachgeordneten Kältemittelkühler 7, und zwar energetisch bereits vorgekühlt, so daß im Kältemittelkühler 7 lediglich eine anteilige Kühlung des Kältemittels erfolgen muß. Das Kältemittel wird dann im inneren Wärmetauscher weiter unterkühlt und Expansionsventil 9 auf den Verdampfungsdruck gedrosselt. Beim Kühlbetrieb ist das Absperrventil 12 in der By-pass-Leitung 18 geschlossen. Energetisch vorteilhaft stehen für die Kühlung des Kältemittels bzw. CO₂-Gases sowohl der zusätzliche Wärmetauscher 10 als auch der Kältemittelkühler 7 zur Verfügung. Damit ist der Kühlbetrieb energetisch günstiger als bei einem reinen Kühlkreislauf nach Figur 3. Dieser Nebeneffekt kann dazu genutzt werden, einen kostengünstigeren Kältemittelkühler einzusetzen oder die energetische Effizienz der Gesamtanlage zu verbessern. Die Wärme, die vom zusätzlichen Wärmetauscher 10 an den Kühlwasserkreislauf 17 übertragen wird, lässt sich im Bypass um den Heizwärmetauscher 2 unmittelbar dem Motor 1 zuführen. Im Lehrlauf, bei niedrigen Lasten und im Warmlauf dient diese Wärme dazu, den Motor auf energetisch günstiger Betriebstemperatur zu halten und damit Kraftstoff einzusparen. Ist der Motor betriebswarm, wird die Wärme über den hier nicht näher dargestellten Motorkühler abgeführt.

[0014] Damit ist solch ein dem Verdichter nachgeschalteter, kühlwasserbeaufschlagter Wärmetauscher auch für eine CO₂-Klimaanlage ohne Heizfunktion vorteilhaft. Neben dem Wärmetauscher, der als Enthitzer eingesetzt wird, sind dann keine zusätzlichen Ventile erforderlich. Diese Version wird als erfindungsgemäße Variante betrachtet und beansprucht.

[0015] Wir der Motor an seinem thermischen Grenzbereich betrieben, was bei hohen Fahrgeschwindigkeiten unter hoher Last der Fall ist, so wird der Kältemittelkühler 7 luftseitig hinreichend gut durchströmt, so daß der Verdichtungsenddruck niedrig genug ist und die Verdichtungsendtemperatur ebenfalls niedrig ist. In diesem Fall wird vom zusätzlichen Wärmetauscher 10 an den dann ohnehin heißen Kühlwasserkreislauf keine Wärme mehr übertragen, da die Temperaturdifferenz gering oder sogar negativ ist. Der Motor wird dann thermisch nicht mehr zusätzlich belastet. Der Motorkühler braucht daher nicht größer dimensioniert werden.

[0016] Restwärme, die im Heizbetrieb nicht an die Fahrgastzelle übertragen wird, dient bei kaltem Motor dazu, diesen zusätzlich zu erwärmen und in einen energetisch günstigen Betriebspunkt zu bringen.

[0017] Die Variante gemäß Figur 2 zeichnet sich dadurch aus, daß von der Kältemittel-Leitung 13 zwischen zusätzlichem Wärmetauscher 10 und Kältemittelkühler 7 eine By-pass-Leitung 15 abzweigt, und zwar vor einem in der erwähnte Kältemittel-Leitung 13 angeordneten Absperrventil 11. Die By-pass-Leitung 15 ist mit der Eingangsseite des Verdichters 6 unmittelbar, d.h. unter Überbrückung des übrigen Kühlmittelkreislaufs fluidverbunden.

[0018] Bei dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, das weitere Expansionsventil 9 zwischen innerem Wärmetauscher 8 und Verdampfer 5 zu überbrücken.

[0019] In der By-pass-Leitung 15 ist ein Expansionsventil 16 angeordnet. Die Ausführungsform nach Figur 2 zeichnet sich also durch einen Heißgas-By-pass-Kreislauf im Heizbetrieb aus bedingt durch die unmittelbare Verbindung zwischen dem Kältemittel-Ausgang des zusätzlichen Wärmetauschers 10 und dem Eingang des Verdichters 6. Die im zusätzlichen Wärmetauscher 10 abgegebene Leistung entspricht der vom Verdichter 6 aufgenommenen Leistung. Ein Wärmepumpenbetrieb durch Aufnahme zusätzlicher Umweltwärme liegt nicht vor. Das Expansionsventil 16 muß beim normalen Kühlbetrieb geschlossen sein. Es im übrigen denkbar, die By-pass-Leitung 15 bei der Ausführungsform nach Figur 2 als Kapillare auszuführen, die eine hinreichende Drosselwirkung besitzt. In diesem Fall würde es genügen, für das Ventil 16 ein einfaches Absperrventil zu verwenden. Wie bereits erwähnt, kann auf das Absperrventil 12 zur Umgehung des Expansionsventils 9 zwischen innerem Wärmetauscher 8 und Verdampfer 5 verzichtet werden. Vereisungsprobleme, die luftseitig am Kältemittelkühler 7 nicht völlig auszuschließen sind, können mit dieser Schaltung vorteilhaft gegenüber anderen Schaltungen vermieden werden. Weiterhin können Probleme durch Vereisungen und Restfeuchte am Verdampfer 5 vermieden werden.

[0020] Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß Wärmepumpenschaltungen, die auf einer einfachen Kreislaufumkehr beruhen, häufig zu Problemen mit Restfeuchte auf der Verdampferoberfläche führen, die vom Klimabetrieb herrührt. Bei Umschaltung von Klima- bzw. Kühlbetrieb in den Heizbetrieb wird diese Feuchte dann von dem nun als Heizung verwendeten Verdampfer 5 der Klimaanlage freigesetzt und kann zu plötzlichem sicherheitsrelevantem Beschlag an den Scheiben des Kraftfahrzeuges führen. Man nennt dies auch "flash-fogging". Auch sind Geruchsbelästigungen denkbar.

[0021] Bei den hier beschriebenen Anlagen bzw. Schaltungen sind die vorgenannten Probleme ausgeschlossen, da der Verdampfer 5 stets kühl gehalten und die Wärme im wasserbeaufschlagten Heizwärmetauscher übertragen werden. Je nach Ausführung und Ansteuerung der Ventile lässt sich bei den beschriebenen Schaltungen auch ganz gezielt ein Entfeuchtungsbetrieb realisieren, bei dem im Verdampfer 5 entfeuchtet und Heizwärmetauscher 2 nachgeheizt wird.

[0022] Es sei ferner als weiterer Vorteil erwähnt, daß anders als bei bekannt gewordenen Wärmepumpen-Schaltungen mit dem Kältemittel CO₂, die das Kühlwasser des Motors als Wärmequelle verwenden, dem Kühlwasser keine Wärme entzogen wird. Damit heizt sich der Motor schnellstmöglich auf und auf die Zuheizung kann vorteilhaft frühzeitig verzichtet werden.

[0023] Als vorteilhaft zur schnelleren Aufheizung der Fahrgastkabine hat sich die zeitweilige Trennung vom Motor- und Heißwasserkreislauf z.B. nach Fig. 3 oder 4 erwiesen. Die Wärme wird von der Wärmepumpe bzw. der Heißgas-by-pass-Schaltung nur zur Aufheizung des kleinen Heizwasser-Kreislaufs verwendet. Ein schnelles Aufheizen ist die Folge. Ist die Kühlwassertemperatur hinreichend angestiegen, wird die Anlage wieder umgeschaltet und die Motorabwärme wird zum Heizen verwendet. Diese vorgenannte Umschaltung wird durch eine by-pass-Schaltung 19 im Heizwasser-Kreislauf zwischen Motor 1 und Pumpe 3 einerseits und der Rücklaufleitung zwischen Heizwärmetauscher 2 und Motor 1 andererseits erhalten, wobei entweder an letztgenannter Abzweigung ein Zwei-Wege-Ventil 20 (Fig. 3) oder an erstgenanntem Anschluß ein Zwei-Wege-Ventil 21 (Fig. 4) vorgesehen ist, mit dem die vorbeschriebene Umschaltung möglich ist.

[0024] Die erwähnten Absperrventile können natürlich auch in Zwischenstellungen gebracht werden abhängig vom gewünschten Betriebszustand.

[0025] Zur sicheren Vermeidung von Problemen bei der Durchströmung des Verdampfers 5 unter Heizbetrieb bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1, ist in Fig. 5 und 6 eine Umgehung des Verdampfers 5 vorgesehen. Die by-pass-Leitung 18 mit by-pass-Ventil 12 überbrückt entweder den inneren Wärmetauscher 8 und Verdampfer 5 (Fig. 5) oder das Expansionsventil und Verdampfer 5 (Fig. 6), also in jedem Fall den Verdampfer 5.

[0026] Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichen

[0027] 

1

Motor

2

Heizwärmetauscher

3

Pumpe

4

Zwei-Wege-Ventil

5

Verdampfer

6

Verdichter

7

Wärmetauscher bzw. Kältemittelkühler

8

innerer Wärmetauscher

9

Expansionsventil

10

zusätzlicher Wärmetauscher

11

Absperrventil

12

Absperrventil

13

Kältemittel-Leitung

14

Expansionsventil

15

By-pass-Leitung

16

Expansionsventil

17

Kühlwasserkreislauf

18

By-pass-Leitung

19

By-pass-Leitung

20

Zwei-Wege-Ventil

21

Zwei-Wege-Ventil

Ansprüche

1. Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO₂-Klimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfasst:

Verdichter (6),

Kältemittelkühler (7),

innerer Wärmetauscher (8) zwischen Kühlmittelkühler- und Verdampferseite,

Expansionsventil (9), und

Verdampfer (5),

dadurch gekennzeichnet, daß
zur Umschaltung der Klimaanlage vom Kühlbetrieb in Heizbetrieb zwischen Verdichter (6) und Kältemittelkühler (7) ein mit einem motorseitigen Kühlkreislauf (17) korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher (10) integriert ist, wobei dem zusätzlichen Wärmetauscher (10) ein Expansionsventil (14, 16) nachgeordnet ist, mittels dem bei Heizbetrieb das Kältemittel auf einen niedrigeren Druck drosselbar ist.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Expansionsventil (14; 16) Teil einer von der Kältemittel-Leitung (13) zwischen zusätzlichem Wärmetauscher (10) und Kältemittelkühler (7) abzweigenden By-pass-Leitung (15) ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die By-pass-Leitung (15) parallel zur Kältemittel-Leitung (13) unter Überbrückung eines in dieser angeordneten Absperrventils (11) geschaltet ist (Fig. 1).

4. Klimaanlage nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die By-pass-Leitung (15) vor einem in der Kältemittel-Leitung (13) angeordneten Absperrventil (11) abzweigt und mit der Eingangsseite des Verdichers (6) unmittelbar, d.h. unter Überbrückung des übrigen Kältemittelkreislaufs fluidverbunden ist (Fig. 3).

5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Kältemittelkreislauf zwischen innerem Wärmetauscher (8) und Verdampfer (5) ein weiteres Expansionsventil (9) angeordnet ist, das bei Bedarf, insbesondere Heizbetrieb durch eine By-pass-Leitung (18) mit Absperrventil (12) überbrückbar ist.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein motorseitiger Heizwärmetauscher (2) durch eine By-pass-Leitung überbrückbar ist, wobei die Umleitung des Kühlmediums, insbesondere Kühlwassers durch ein zwischen By-pass-Leitung und Heizwärmetauscher (2), insbesondere Heizwärmetauscher-Ein- oder -Auslaß angeordnetes Zwei-Wege-Ventil (4) erfolgt.

Zeichnung